Dam Break Analysis

(Mullaperiyar Dam to Idukki Reservoir)

Sponsor, Chief Engineer, ISW, Vikas Bhavan, Thiruvananthapuram, Kerala

CONTENTS

          
                Page No.

  EXECUTIVE SUMMARY   
                       
                   i

 
          CHAPTER 1   INTRODUCTION   
                     
                      1

                  1.1 Need for Dam Break
          Modelling        
                     
             3

                  1.2 Scope of
          Work         
                     
               4        
                  
                      1.2.1
          Part I: Dam Break Analysis of Different Scenarios Of
          Failure          5

                      1.2.2
          Part II: Inundation Mapping for Various Failure
          Scenarios      
                6

          CHAPTER 2 HEC-RAS DAM BREAK
            MODEL       
                     
                      7

                  2.0 Model
          Selection       
                     
               8

                  2.1 Model Stability
          During Unsteady Flow Simulation   
                     
                       9

                      2.1.1
          Cross-Section Spacing       
                     
               9

                      2.1.2
          Computational Time Step        
                     
          10

                      2.1.3
          Theta Weighing Factor       
                     
              10

                      2.1.4
          Solution Iteration       
                     
                 11

                      2.1.5
          Solution tolerances       
                     
                11

                      2.1.6
          Weir and spillway stability factor    
                     
                12

                  2.2 Model
          Limitations       
                     
            12

                  2.3 Input Data
          Requirement        
                     
                  12

                      2.3.1
          Reservoir Data       
                     
                     12

                      2.3.2
          Catchment Hydrology        
                     
               13

                      2.3.3
          Structural Data       
                     
                    13

                      2.3.4
          Topographic Data        
                     
                  14

          CHAPTER 3 STUDY AREA   
                     
             17

                  3.1 Mullaperiyar
          Dam           
                     
                     17

                  3.2 Salient Features of
          Mullaperiyar Dam and its Allied Structures   
                   19

          CHAPTER 4 HEC-RAS DAM BREAK
            MODEL SETUP       
                     
              24

                  4.1 Model Set Up for
          Mullaperiyar Dam       
                     
                    24

                      4.1.1
          Periyar River       
                     
                      25

                      4.1.2
          Reservoir       
                    
               27

                      4.1.3
          Dam and Spillway        
                     
                  29

                      4.1.4
          Upstream Boundary       
                     
                    30  
                     
                      4.1.5
          Downstream Boundary       
                     
                31

                      4.1.6
          Selection of Breach Parameters   
                     
                     31

          CHAPTER 5 ANALYSIS AND
            DISCUSSION OF RESULTS   
                     
             35

                  5.l Sensitivity
          Analysis       
                     
                     40

                      5.1.1
          Sensitivity of Manning's roughness (N)    
                     
            40

                      5.1.2
          Sensitivity of breach width (Bw)   
                     
                   41

                      5.1.3
          Sensitivity of breach development time (tf) 
                     
                      42

                      5.1.4
          Sensitivity of Probable Maximum Flood (PMF)   
                     
                    42

                      5.1.5
          Sensitivity of Δx (space)
                     
                 42

                      5.1.6
          Sensitivity of Δt
          (space)       
                     
                      43

          CHAPTER 6 CONCLUSIONS   
                     
             67

LIST OF TABLES

          

   
                  Page
              No

            Table 1.1  Dam break scenarios    
                       
                  5

            Table 2.1  Ratio of wave speed (Vw) to average velocity
            (V) for various channel shapes  10

            Table 4.1  Reservoir stage-area-capacity
            relationship      
                       
                27

            Table 4.2  Mullaperiyar Dam spillway rating table 
                       
                 29

            Table 4.3  Probable Maximum Flood (PMF) for
            Mullaperiyar Dam        
                       
                   30 

            Table 4.4  Range of possible values for breach
            characteristics        
                       
                 33

            Table 4.5  Breach parameters considered for dam break
            analysis       
                       
                  33

            Table 5.1  Computations
              of maximum water surface elevations for dam break flood        
            37

            Table 5.2  Maximum
              water levels, their times of occurrence, and 
velocities
              at selected locations      
                       
              40       

            Table 5.3a  Sensitivity
              of Manning's roughness (N)   
                       
            43       

            Table 5.3b  Sensitivity
              of Breach Width (Bw)   
                       
              44       

            Table 5.3c  Sensitivity
              of Breach Development Time (tf)   
                         
               44       

            Table 5.3d  Sensitivity
              of PMF       
                       
                  45   
               
            Table 5.3e  Sensitivity
              of Δx
              (space)       
                       
                   45   
                   
            Table 5.3F  Sensitivity
              of 
                Δt (time) steps   
                       
                  46

 
LIST OF FIGURES

                    Page
                  No

 
            Fig. 2.1   Flow chart of dam
              break modeling mechanism  
                       
                    11

            Fig. 3.1   Periyar River basin   
                       
                  21

            Fig. 3.2   Plan
              of Mullaperiyar project   
                       
                     22

            Fig. 3.3   Section of
              Mullaperiyar Main Dam   
                       
                 23

            Fig. 4.1   HEC
              model setup for Periyar River reach between Mullaperiyar
              dam and         26
Idukki
              Reservoir.
Note: Section No. 1 represents
              the Mullaperiyar Dam site at Chainage 
          
              0.0 km and Section 46 represents the upstream brink of
              Idukki Reservoir 
          
              at Chainage 36 km from Mullaperiyar Dam.

            Fig. 5.1a  Dam
              break flood hydrograph and its routing downstream   
                       
                    35

            Fig. 5.1b  Stage
              hydrographs at selected locations   
                       
                      36

            Fig. 5.2   Cross-sections showing water surface
            elevation and other       
                   
                 47-62

            hydraulic parametres including velocity of flow (See
              Chapter 5)

            Fig. 5.3   Maximum
              water surface profile and other hydraulic variables.                
            63
Main channel distance
              represents the distance from most downstream
   
                     section (i. e. Section No.
              47). The distance from 0 to 4 km is the
          
              extended portion of the channel. Main channel distance of
              4 km 
          
              represents the upstream brink of Idukki Reservoir.

            Fig. 5.4   Sample
              photographs of the cross-sections located between                    
            64
Mullaperiyar
              dam and Idukki Reservoir.

            Fig. 5.5   Sensitivity
              of Manning's N. Here, the chainage refers to the distance       
            65
from
              Mullaperiyar dam.

            Fig. 5.6   A 3-D view of
              the area inundated due to dam break flood                     
            66